(57)【要約】【課題】酸化触媒を使用し、酸化触媒が最適に活性化可能な場所に酸化触媒を移動する事で、燃焼効率を向上し、タールや煤の排気を最小限に削減することができる木質燃料暖房器具を提供する。【解決手段】木質の固形燃料を燃焼することにより室内暖房を行う装置であって、触媒体の温度を検知あるいは推測する熱電対２５と、熱電対より得られた触媒温度に応じて触媒体が触媒体固有の活性温度範囲に収まる様移動する触媒体支持部１１とを備えることにより、検知温度に応じて触媒体を移動することを可能にする。【選択図】図１
2005265214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質の固形燃料を燃焼することにより暖房を行う暖房装置であって、煤やタール発生を抑制する触媒体を有すと共に、前記触媒体の温度を検知あるいは計測する触媒温度検出手段と、前記触媒温度検出手段より得られた触媒温度に応じて前記触媒体が触媒体固有の活性温度範囲内に収まるように前記触媒体を移動させる触媒体移動手段とを備えたことを特徴とする木質燃焼暖房装置。
【請求項２】
前記触媒移動手段は、前記固体燃料を燃焼する燃焼部で発生する燃焼ガスを排気する排気部に接し、排気部を長手方向に移動すると共に触媒体を支持する触媒体支持部を有し、前記触媒温度検出手段で得た温度に応じて前記触媒体支持部の移動位置を制御する触媒体位置制御部と、前記触媒体位置制御部によって前記移動位置まで移動させる触媒体駆動部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の木質燃焼暖房装置。
【請求項３】
前記触媒温度検知手段を、前記触媒体支持部に配置させたことを特徴とする請求項２記載の木質燃焼暖房装置。
【請求項４】
前記触媒温度検知手段を、前記燃焼部に配置させたことを特徴とする請求項２記載の木質燃焼暖房装置。
【請求項５】
前記触媒体が燃焼部より遠い側の物理的限界位置に配置あるいは移動し、触媒体温度が触媒体固有の限界温度に到達して既定の時間を経過した場合、前記木質燃焼暖房装置に警告し燃焼を抑制する手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の木質燃焼暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質燃料暖房装置に関するものである。
【０００２】
本発明は、木質燃料暖房装置に関し、より詳細には、木質燃料暖房装置の燃焼制御に関する。
【０００３】
本発明は、木質燃料暖房装置に係り、特に燃焼効率の向上に伴うタール及び煤生成量の抑制に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００４】
間伐材や流木などの木材を粉砕し、水分を飛ばして高密度に成型したペレット状の木質固形燃料を使用し、燃料への着火、燃料供給、送風等が自動化されている木質燃料暖房装置は従来から存在している薪ストーブと比較して操作性が格段に向上している（たとえば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
前述の木質固形燃料を燃焼する暖房装置は主に燃料供給部と、燃焼部と、灰受部と、熱交換部と、室内送風部と、煙突部と、制御部とで構成されている。また、前記燃料供給部は木質固形燃料貯留槽と前記木質固形燃料貯留槽から燃料供給経路へ燃料を搬送する燃料搬送装置と前記燃料搬送装置と接続された燃料供給経路と前記燃料供給経路から送られてくる木質固形燃料を燃焼部へ供給するための燃料供給口から構成され、前記燃焼部は底部が格子となっている燃焼皿と暖房装置の起動時に前記燃焼皿内に搬出された木質固形燃料に着火するための着火装置と燃焼に必要な空気を取り入れるための給気口と燃焼ガスを排出するための排気口と送風を行う燃焼用送風機とから構成され、前記灰受部は前記燃焼部で発生する灰成分を貯留するように構成され、前記熱交換部は燃焼ガスと室内循環空気とで熱交換を行うように構成され、前記室内送風部は室内循環空気を前記熱交換へ取り入れるための室内給気口と前記熱交換部で暖められた室内循環空気を暖房装置から室内へ送風する室内送風口およびそれら送風を行う室内循環用送風機から構成され、前記煙突部は前記熱交換部と接続され前記燃焼ガスを室外へ排出するように構成され、前記制御部は火力調節に応じた燃料供給量や燃焼に必要な空気供給量を制御する燃焼条件制御手段および自動着火装置から構成されている。
【０００６】
次に従来の木質燃料暖房装置の基本的な動作について述べる。
先ず、前記燃料供給部に設置された木質固形燃料貯留槽内に貯留されている木質固形燃料が同じく前記燃料供給部に設置された燃料搬送装置により、燃料供給経路、燃料供給口を経て燃焼部の燃焼皿へと送られる。また燃焼部には燃焼用送風機によって給気口から燃焼に必要な空気が燃焼皿へ供給されて木質固形燃料が継続的に燃焼する。燃焼ガスは燃焼用送風機によって排気口から熱交換部、煙突を経て室外へ排出される。暖房装置の起動時においては、木質固形燃料の燃焼皿への供給後に自動着火装置が作動する。木質固形燃料燃焼によって発生する灰成分は前記燃焼皿の格子の下部に設けられた灰受部へ落下し、燃焼皿内の灰を排出する構造となっている。熱交換部では木質固形燃料の燃焼で発生した排気と室内循環用送風機によって室内給気口から給気された空気との間で熱交換が行われ、室内送風口より前記熱交換器により熱せられた空気が室内に送風される。これら一連の動作は制御部によって制御されている。
【特許文献１】特開昭５６−１４９５０９号公報
【特許文献２】実開昭５８−１９０３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成で説明される、木質燃料暖房装置を代表するペレットストーブあるいは薪ストーブでは、木質等有機物の燃焼でのガス化で生じる熱または部分酸化の段階でタールあるいは煤が生成され、煙突あるいは排気筒の設置による室外への排気が必要である。しかしタールは煤は煙突あるいは排気塔内に付着し、特に寒冷地では煙突亜や排気筒内を清掃する頻度も高く、また寒冷環境における清掃はかなりのリスクともなる。一方煤やタールの清掃を怠ると、煙突や排気塔が詰まる事による温度上昇を引き起こし、異常高温による引火を引き起こす可能性がある。木質燃料がもっと一般的に普及するには、この課題をできる限り解消する必要がある。ある林産試験場のデータによると、１２日間８４時間使用で、煙突内に蓄積されたタールや煤の量は、１ｍ３あたり５１ｇにも達する箇所もあるとの事である。同林産試験場のアンケート調査では、１ｍ３あたり５３ｇが清掃目安であるという結果が出ており、結果として２週間に１回の清掃頻度が必要と考えられる。
【０００８】
木質有機物の燃焼は、２００〜３００℃でヘミセルロースの分解、セルロースの分解は３００〜３５０℃と比較的低温であるが、リグニンは３００〜５００℃と高温でも分解しにくく、これらが不完全燃焼のまま排気されて、煤やタール発生要因となっている。また気化して排気される煤やタールは基本的に１５０〜２５０℃程度を維持できれば、気体の状態で排気可能である。実際木質燃料暖房装置の排気口から排気されるガスの温度は１５０℃程度と考えられている（薪ストーブはもう少し高い可能性がある）。一方１００℃を切り始めると、煤やタールが液体から炭化物状に固体化していき、１０℃では固体化する。よって煙突や排気口に付着する。煤やタールの発生をできる限り抑制する事が、清掃頻度あるいはリスクを考える上で望ましい。
【０００９】
煤やタール発生を抑制する１手段として、酸化触媒を使用する方法がある。酸化触媒を使用する利点として、通常５００℃以上の高温状態に維持しなければタール等の発生を抑制できないのが、酸化触媒使用で３００℃程度でも５００℃燃焼と同様の効果が得られる。最近、薪ストーブの一部で使用されており、一例としてＶｅｒｍｏｎｔ  Ｃａｓｔｉｎｇｓ社のキヤタリティックコンバスター方式がある。酸化触媒を使用する事で、ＣＯ発生量・ＰＭ排出量・タール発生量を、薪１ｋｇ当たりそれぞれ１８０ｇから５ｇ・３０ｇから２ｇ・３０ｇから２ｇに発生量を抑える事が可能であり、また燃焼効率が改善され、２５％程度の燃料の削減になるというデータがある。
【００１０】
もう一点、酸化触媒使用の利点を紹介する。木質等バイオマス資源の燃焼によるタールの成分は、非常に多彩で、燃焼温度にも依存する。例えば４５０〜５００℃では酸類・アルデヒド類・ケトン類・アルコール類・フェノール類等、６００〜６５０℃ではベンゾフラン類・フェノール類・ベンゼン類等である。酸化触媒では、これらタール成分を３００分の１から５００分の１に分解する能力を持つ。また不完全燃焼により一酸化炭素も発生するが、これも４０００分の１まで低減する事が可能である。一酸化炭素等の完全燃焼化は、例えば触媒に付着している煤やタール、上記化学物質も再燃焼や分解させてしまう効果もある。
【００１１】
ただ、酸化触媒の使用問題点として、酸化触媒の活性温度が、触媒材料にも若干依存するが、２５０〜３５０℃が活性化範囲である事、６００℃を超えると脆くなり、約３万時間（１日２０時間、３００日／年で５年）程度で触媒交換といわれている触媒寿命が短くなる。にも関わらず、ペレットストーブや薪ストーブ等木質燃料暖房装置の燃焼部における温度変化は、０℃から７００℃程度までと変動範囲も広く、あるペレットストーブの暖房を弱から強の変化でも、燃焼部で４００〜７００℃の変化がある。酸化触媒を固定位置で使用する場合、これらの温度変化に対応できる必要があるが、特に弱い暖房で長時間使用の場合は酸化触媒が充分活性化しない（すなわち２５０℃に達しない）状態も考えられ、煤やタールが充分分解されず、煙突や排気筒に付着する量を更に削減する事は困難である。また最悪の場合、酸化触媒自体が目詰まりを起すという課題を有している。
【００１２】
これらを解決する手段として、検知温度によって酸化触媒自体に流すガス流量を変化させるという特開平１１−３６８５０号や、検知温度で酸化触媒自体をヒーターであたためるという特開２０００−１０４９４６号が存在するが、本発明は触媒自体を稼動させるという手段を提供する。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、酸化触媒の活性状態が長く維持できる様、酸化触媒の温度あるいは燃焼温度に応じて酸化触媒の位置を変更する事を可能とした木質燃料暖房装置を提供できる事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、木質の固形燃料を燃焼することにより暖房を行う暖房装置であって、煤やタール発生を抑制する触媒体を有すと共に、前記触媒体の温度を検知あるいは計測する触媒温度検出手段と、前記触媒温度検出手段より得られた触媒温度に応じて前記触媒体が触媒体固有の活性温度範囲内に収まるように前記触媒体を移動させる触媒体移動手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明は、前記触媒体移動手段は、前記固体燃料を燃焼する燃焼部で発生する燃焼ガスを排気する排気部に接し、排気部を長手方向に移動すると共に触媒体を支持する触媒体支持部を有し、前記触媒温度検出手段で得た温度に応じて前記触媒体支持部の移動位置を制御する触媒体位置制御部と、前記触媒体位置制御部によって前記移動位置まで移動させる触媒体駆動部とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、木質燃料暖房装置において、前記触媒温度検知手段を、前記触媒体支持部に配置させたことを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、木質燃料暖房装置において、前記触媒温度検知手段を、前記燃焼部に配置させたことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明は、前記触媒体が燃焼部より遠い側の物理的限界位置に配置あるいは移動し、触媒体温度が触媒体固有の限界温度に到達して既定の時間を経過した場合、前記木質燃料暖房装置に警告し燃焼を抑制する手段を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の木質燃料暖房装置によれば、酸化触媒を使用し、酸化触媒が最適に活性化可能な場所に酸化触媒を移動させることで、燃焼効率を向上し、タールや煤の排気を最小限に削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の木質燃料暖房装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施例における木質燃料暖房装置の側面断面図を示す。
図１において、燃料搬送装置１は木質固形燃料貯留槽２内に貯留されている木質固形燃料３を燃料供給経路４へと搬送し、更に木質固形燃料３は燃料供給口５を経て燃焼部１４の燃焼皿６へと送られる。燃焼部１４には燃焼用送風機７によって給気口８から燃焼に必要な空気が供給される。燃焼ガスは熱交換部９を通って、触媒体支持部１１から排気部１２を経て、煙突１３を通して外部へ排出される。その際、触媒体支持部１１が熱電対２５で酸化触媒２３の温度を把握し、温度に応じて触媒体位置制御部１０により最適位置を決定し、酸化触媒２３の位置を移動する事により、酸化触媒２５の活性化を長く保持している。
【００２２】
図２は、本発明の第１の実施例における触媒体支持部１１の側面断面図を示す。触媒体支持部１１の側面には、排気部１２内で触媒体支持部１１が長手方向にのみ動作する様少なくとも１本の凸部２０が設けられている。また、長手方向に一本ラック２１が設けられており、駆動部のギア２２の回転から、触媒体支持部１１の長手方向への動きを得る事が可能である。触媒体支持部１１内には、酸化触媒２３が配置されており、酸化触媒２３を固定する為の触媒体受け部２４が設けられている。触媒体受け部２４は酸化触媒２３が開口部より触媒体受け部２３を経て通過できる様、２箇所で受ける様な構成にしている。この構造によって、触媒を容易に交換可能にしている。使用する酸化触媒２３は、セラミックス製蜂の巣状（ハニカム）構造が最も適しており、その表面は白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒成分を担持させている。触媒体支持部１１には酸化触媒２３の温度を計測する為に熱電対２５を通す為の穴が設けられ、酸化触媒２３自体あるいは触媒付近の温度を測定する。酸化触媒２３の温度を把握し、その情報を元に酸化触媒２３の最適な位置への制御を可能とする。燃焼部内の温度は高温燃焼時７００℃程度になる可能性がある為、温度範囲が広い熱電対２３を使用する。例えばＪＩＳ規格のＥタイプである、＋脚はクロメル、−脚はコンスタンタンを使用した熱電対２３では、使用温度範囲は−２００〜７００℃であり、８００℃まで耐熱可能である。熱電対２３は、触媒体支持部１１が上下しても断線したり折曲がったりしない事が重要である。
【００２３】
図３は、本発明の第１の実施例における排気部及び触媒駆動部の下面図を示す。触媒体支持部１１を通して熱電対２５が酸化触媒２３に接する、あるいは酸化触媒２３付近の温度が測定できる様に取り付けられている。熱電対２５は防熱板２６を通して触媒温度検知部２７に接続される。防熱板２６ではできる限り熱を遮断し、室温に近い状態に保持している。熱電対２５の１端は燃焼部内の０〜６００℃、もう一端は室温で−１０〜４０℃程度であり、熱電対の使用では一端を温度維持するという事からは多少温度誤差が発生するが、制御する温度範囲が非常に広いので問題ないと考える。
【００２４】
酸化触媒は、触媒成分にも依存するが、２５０〜３５０℃で最も活性化が図れる。また６００℃で脆くなる可能性もあり、低寿命化する可能性もある。触媒の活性最適化及び長寿命化を図るためにも、２５０〜３５０℃を維持する様参加触媒を配置する事が望ましい。触媒温度検知部内には、後述する酸化触媒温度と酸化触媒の最適活性化の位置迄の相関テーブルを保持している。これより、移動量が触媒温度検知部２７で算出されて、駆動部２８に通知される。駆動部２８自体も防熱板２６で保護されており、そこから防熱板を通して駆動軸２９によりギア２２に回転力が伝えられる。
【００２５】
図４は、本発明の第１の実施例における熱源からの距離と温度の相関図を示す。熱の伝達に関して、木質燃料暖房装置内部の距離と温度との相関関係を考える上で、大まかに想定する為にフーリエの法則を利用する。すなわち、
【数１】
2005265214.tif 000003
である。
【００２６】
木質燃料暖房装置を考慮する上で、
【数２】
2005265214.tif 000004
と置き換える。温度は距離と比例関係があり、
【数３】
2005265214.tif 000005
と考える。
【００２７】
木質燃料暖房装置で、弱暖房と強暖房時の酸化触媒の位置の違いを解析する。尚、弱暖房時は熱源４００℃程度でＴ１、強暖房時は熱源７００℃程度でＴ２と仮定する。酸化触媒の活性化温度は２５０〜３５０℃とし、図内の斜線範囲内で示される。その中で最も安定して活性化させる事を考慮して、３００℃を基準にして考えると、酸化触媒の熱源からの距離は、弱暖房Ｔ１時はｘ１の位置に、弱暖房Ｔ２時はｘ２の位置に配置する事が望ましい。例えば、排気口までの距離を１．５ｍと仮定すると、弱暖房時は４３ｃｍ（活性範囲は２１〜６４ｃｍ）、強暖房時は９２ｃｍ（活性範囲は８１〜１０４ｃｍ）である。これらはあくまで過程であり、実際には気体の流れ、排気口の大きさ等が影響し、また密度・比熱・圧力等複雑に関わっているので実器での木質燃料暖房装置内での熱源とその温度分布を把握し、またデータに基づいた内部構造での設計をしなければならない。
【００２８】
図５は、本発明の第１の実施例における熱源温度と最適な酸化触媒の位置の相関図を示す。前述図４で得られる熱源の各温度と酸化触媒の熱源からの最適位置を算出した結果をまとめている。この図の中で斜線部で囲まれた部分が、各熱源温度に応じた酸化触媒の活性有効範囲を示している。実際には、木質燃料暖房装置の構造設計による物理的制約、稼動回数の制約による消費電力削減を実施する対策が試みられる。
【００２９】
図６は、本発明の第１の実施例における触媒制御例を示す。前述図５で得られた熱源温度と酸化触媒温度の相関図で、触媒体支持部で検知した触媒温度を元に、触媒駆動系でどの様に制御するのが効率がよいかの一例である。例では、酸化触媒の温度が活性を示す範囲で、できる限り少ない制御で動作できる様に考慮されている。基本的な考え方としては、熱源温度上昇時は３２０℃程度に到達した場合に熱源から離す様移動、熱源温度下降時は２７０℃に到達した場合に熱源に近づける様移動させ、双方とも同じプロフィールで制御する様記載しているが、上昇と下降各々別のプロフィールで制御しても問題ない。また４０ｃｍから９５ｃｍがこの酸化触媒の物理的駆動範囲として設計される。これらを触媒温度検知部でテーブルとして保持し、触媒駆動系に通知、触媒体支持部１１を動作させる。
【００３０】
図７は、本発明の第２の実施例における木質燃料暖房装置の側面断面図を示す。構成は図１及び図３に記載の木質燃料暖房装置と同様であるが、温度検知を行う熱電対２５が、可動部である触媒体支持部１１に配置されずに、熱源に近い燃焼部１４に固定位置で配置されている事である。燃焼部の温度を直接把握する事で、触媒体支持部１１を稼動させる。その後の配置は、同様である。
【００３１】
図８は、本発明の第２の実施例における触媒制御例を示す。前述図５で得られた熱源温度と酸化触媒温度の相関図で、燃焼部で把握した温度を元に、触媒駆動系でどの様に制御すべきかの一例である。例では、熱源温度の温度が活性を示す範囲で、できる限り少ない制御で動作できる様に考慮されている。基本的な考え方としては、熱源温度上昇時は３２０℃程度に到達すると考えられる燃焼部の温度に到達した場合に熱源から離す様移動、熱源温度下降時は２７０℃程度に到達すると考えられる燃焼部の温度に到達した場合に熱源に近づける様移動させ、双方とも同じプロフィールで制御する様記載しているが、上昇と下降各々別のプロフィールで制御しても問題ない。また４０ｃｍから９５ｃｍがこの酸化触媒の物理的駆動範囲として設計される。この様な形で、酸化触媒の位置を制御している。
【００３２】
図９は、本発明の第３の実施例における燃焼異常時の流れを示す。第１の実施例において、稼動する触媒体支持部に熱電対を配置し、酸化触媒自体あるいは酸化触媒付近の温度を把握による制御を行っている。また、第２の実施例において、熱源に近いところで熱電対を固定配置し、燃焼部の温度による触媒体支持部の制御を行っている。機器では燃焼異常が発生して異常な高温にならない様極力対策するが、本発明を利用して、安全対策を行う。燃焼異常の要因として、例えば酸化触媒が目詰まりを起こした場合や、木質燃料のエネルギー量過剰供給等も１例である。これらによる高温異常状態を利用者に通知する手段として、触媒体支持部が熱源に離れた側の物理的限界に達した場合Ｓ１（図６および図８の９５ｃｍ位置）で、あらかじめ設定された限界異常温度に達した場合Ｓ２が、高温異常規定時間として決められた一定時間を超過した場合Ｓ３時、機器に警告を発し、高温状態を抑制する手段を提供する。機器としては、ユーザーインターフェースとして、例えば表示パネルに警告ランプを表示し、また搬送部に対して燃料供給を抑制する構成で、対策することを可能にする。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明にかかる木質燃料暖房装置は、酸化触媒を使用し、酸化触媒が最適に活性化する場所に酸化触媒を移動可能にする事によって、燃焼効率を向上し、タールや煤の排気を最小限に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例１における木質燃料暖房装置の側面断面図
【図２】本発明の実施例１における触媒体支持部の側面断面図
【図３】本発明の実施例１における排気部及び触媒駆動部の下面図
【図４】本発明の実施例１における熱源からの距離と温度の相関図
【図５】本発明の実施例１における熱源温度と最適な酸化触媒の位置の相関図
【図６】本発明の実施例１における触媒制御例を示す図
【図７】本発明の実施例２における木質燃料暖房装置の側面断面図
【図８】本発明の実施例２における触媒制御例を示す図
【図９】本発明の実施例３における燃焼温度異常時の流れを示す図
【図１０】従来の木質燃料暖房装置の断面図面図
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料搬送装置
２  木質固形燃料貯留槽
３  木質固形燃料
４  燃料供給経路
５  燃料供給口
６  燃焼皿
７  燃焼用送風機
８  給気口
９  熱交換部
１０  触媒体位置制御部
１１  触媒体支持部
１２  排気口
１３  煙突
１４  燃焼部
２０  凸部
２１  ラック
２２  ギア
２３  酸化触媒
２４  触媒体受け部
２５  熱電対
２６  防熱板
２７  触媒温度検知部
２８  触媒駆動部
２９  駆動軸
【図１】
2005265214.tif 000006
【図２】
2005265214.tif 000007
【図３】
2005265214.tif 000008
【図４】
2005265214.tif 000009
【図５】
2005265214.tif 000010
【図６】
2005265214.tif 000011
【図７】
2005265214.tif 000012
【図８】
2005265214.tif 000013
【図９】
2005265214.tif 000014
【図１０】
2005265214.tif 000015